Vue d'artiste d'un magnétar. (Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF) Rafales radio rapides sont l'un des plus grands mystères cosmiques de notre époque. Ce sont des explosions extrêmement puissantes mais extrêmement brèves de rayonnement électromagnétique dans les longueurs d'onde radio, déchargeant en quelques millisecondes autant d'énergie que 500 millions de soleils.
Pendant des années, les scientifiques se sont demandé ce qui pouvait causer ces brèves explosions, détectées dans des galaxies à des millions ou des milliards d'années-lumière. Puis, en avril 2020,nous avons une très bonne avance: un flash bref et puissant d'ondes radio provenant de quelque chose à l'intérieur de la Voie lactée - un magnétar.
Cela suggère qu'au moins quelques sursauts radio rapides sont produits par ces étoiles mortes extrêmement magnétisées. Maintenant, les physiciens ont mis au point un moyen de reproduire dans un laboratoire ce que nous pensons qu'il se passe dans les premières étapes de ces explosions insensées, selon la théorie de l'électrodynamique quantique (QED).
«Notre simulation de laboratoire est un analogue à petite échelle d'un environnement magnétar», dit le physicien Kenan Qu de l'Université de Princeton. 'Cela nous permet d'analyser les plasmas de paires QED.'
Un magnétar est un type d'étoile morte appelée étoile à neutrons . Lorsqu'une étoile massive atteint la fin de sa durée de vie, elle souffle sur son matériau extérieur, et le noyau, n'est plus soutenu par la pression vers l'extérieur de la fusion nucléaire , s'effondre sous sa propre gravité pour former un objet ultra-dense doté d'un puissant champ magnétique. C'est l'étoile à neutrons.
Certaines étoiles à neutrons ont un champ magnétique encore plus puissant. C'est un magnétar. Nous ne savons pas comment ils en sont arrivés là, mais leurs champs magnétiques sont environ 1 000 fois plus puissants que ceux d'une étoile à neutrons normale, et un quadrillions de fois plus puissant que celui de la Terre.
Les scientifiques pensent que les sursauts radio rapides sont le résultat de la tension entre le champ magnétique, si puissant qu'il déforme la forme du magnétar, et la pression intérieure de la gravité.
On pense également que le champ magnétique est responsable de la transformation de la matière dans l'espace autour du magnétar en un plasma composé de matière- antimatière paires. Ces paires sont constituées d'un électron chargé négativement et d'un positron chargé positivement, et elles sont pensé jouer un rôle dans l'émission derares sursauts radio rapidescerépéter.
Ce plasma s'appelle un plasma de paires, et il est très différent de la plupart des plasmas de l'Univers. Le plasma normal est constitué d'électrons et d'ions plus lourds. Les paires matière-antimatière dans le plasma de paires ont des masses égales et se forment et s'annihilent spontanément. Le comportement collectif des plasmas de paires est très différent de celui des plasmas normaux.
Parce que la force des champs magnétiques impliqués est si extrême, Qu et ses collègues ont imaginé un moyen de créer des paires de plasmas dans un laboratoire par d'autres moyens.
'Plutôt que de simuler un champ magnétique puissant, nous utilisons un laser puissant', Qu explains .
«Il convertit l'énergie en plasma de paires via ce qu'on appelle des cascades QED. Le plasma de paire décale alors l'impulsion laser à une fréquence plus élevée. Le résultat passionnant démontre les perspectives de création et d'observation du plasma de paires QED dans les laboratoires et permet aux expériences de vérifier les théories sur les sursauts radio rapides.
La technique consiste à générer un faisceau d'électrons à grande vitesse, se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Un laser modérément puissant est tiré sur ce faisceau et la collision qui en résulte crée un plasma de paire.
De plus, il ralentit le plasma résultant. Cela pourrait résoudre l'un des problèmes rencontrés avec les expériences précédentes pour créer des plasmas de paires - observer leur comportement collectif.
« Nous pensons savoir quelles lois régissent leur comportement collectif. Mais jusqu'à ce que nous produisions réellement un plasma de paires en laboratoire qui présente des phénomènes collectifs que nous puissions sonder, nous ne pouvons pas en être absolument sûrs », dit le physicien Nat Fisch de l'Université de Princeton.
«Le problème est que le comportement collectif dans les plasmas de paires est notoirement difficile à observer. Ainsi, une étape majeure pour nous a été de considérer cela comme un problème conjoint de production et d'observation, reconnaissant qu'une excellente méthode d'observation assouplit les conditions sur ce qui doit être produit et nous conduit à son tour à une facilité d'utilisation plus pratique.
L'expérience d'observation n'a pas encore été menée, mais elle offre un moyen de mener ces sondes qui n'était pas possible auparavant. Cela réduit le besoin d'équipements extrêmement puissants qui peuvent dépasser nos capacités techniques et nos budgets.
L'équipe se prépare actuellement à tester ses idées avec une série d'expériences au SLAC National Accelerator Laboratory. Cela, espèrent-ils, les aidera à apprendre comment les magnétars génèrent des plasmas de paires, comment ces plasmas de paires pourraient produire des sursauts radio rapides et à identifier toute physique jusque-là inconnue qui pourrait être impliquée.
'Dans un sens, ce que nous faisons ici est le point de départ de la cascade qui produit des sursauts radio', dit le physicien Sebastian Meuren de l'Université de Stanford et du SLAC.
«Si nous pouvions observer quelque chose comme un sursaut radio dans le laboratoire, ce serait extrêmement excitant. Mais la première partie consiste simplement à observer la diffusion des faisceaux d'électrons, et une fois que nous aurons fait cela, nous améliorerons l'intensité du laser pour atteindre des densités plus élevées afin de voir réellement les paires électron-positon. L'idée est que notre expérience évoluera au cours des deux prochaines années environ.
Il faudra donc peut-être un peu plus de temps avant d'obtenir nos réponses sur les rafales radio rapides. Mais si nous avons appris quelque chose au fil des ans, c'est que démêler ce mystère fascinant vaut vraiment la peine d'attendre.
L'article de l'équipe a été publié dans Physique des plasmas .